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《科学24小时》

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“长征九号”将成为中国飞天大力士

2016-07-22 15:45:37

自古以来,人类一直梦想进入太空。可是,进入太空大门的钥匙在哪里?19世纪末20 世纪初,人类积累了一定的科学知识和技术,终于找到了打开太空大门的钥匙。

由于受地球引力的牵制,航天器要在冲出大气层后环绕地球运行,必须达到每秒7.9 千米的第一宇宙速度;若要飞向月球,必须达到每秒10.8 千米的速度;要环绕太阳运行,必须达到每秒11.2 千米的第二宇宙速度;若要挣脱太阳引力飞出太阳系,必须达到每秒16.7 千米的第三宇宙速度。帮助航天器攀登到如此高的飞行速度的,就是运载火箭。

而在运载火箭家族中,大、重型火箭代表着一个国家的最高科技水平,是国家综合实力的体现。经过几十年的努力,我国相继推出了小、中型“长征”系列火箭,成功研制了“长征五号”大型火箭,并提出了重型运载火箭——“长征九号(CZ-9 )”的研制方案。


“长征九号”火箭的构型和性能

按照运载能力划分,运载火箭分为小型、中型、大型和重型四类。在我国,一般将近地轨道运载能力为2吨及其以下的火箭称为“小型运载火箭”;将近地轨道运载能力为220吨的火箭称为“中型运载火箭”;将近地轨道运载能力为2050 吨的火箭称为“大型运载火箭”;将近地轨道运载能力为50 吨及其以上的火箭称为“重型运载火箭”。截至目前,世界上只有美国和俄罗斯研制并使用过重型运载火箭,如美国发射“阿波罗”载人登月飞船时用的“土星五号”三级液体运载火箭和苏联发射“暴风雪号”航天飞机时用的一级半结构的能源号液体运载火箭。我国正在预研的“长征九号”火箭,也是公认的重型运载火箭。

“长征九号”重型运载火箭的出现与登月计划息息相关。美国启动了“重返月球”的星座计划,并研制“战神五号”重型火箭,我国启动月球探测工程以后也将开始进行载人登月,必然需要重型运载火箭。你想,月球取样返回任务尚且需要运力比现有火箭高2倍多的“长征五号”大型火箭,那么载人登月就需要运力更大的火箭了。

参照美国发射“阿波罗”载人登月飞船用的“土星五号”火箭和星座计划的“战神五号”火箭,我国“长征九号”重型运载火箭论证初期,运力指标也瞄准了“战神五号”130 吨的近地轨道运力。目前,我国正在进行重型火箭长征九号的相关预研工作,并不断取得新的进展。国防科技工业局已经正式批准对重型火箭的关键技术深入研究主要包括总体技术和发动机技术这两个方面,从而实现让重型火箭起飞推力在“长征五号”大型火箭1000 吨的基础上提升至3000 吨以上的目标。这无疑是让国人振奋的巨大跨越。

运载火箭的能力决定了航天的舞台大小。目前,我国的重型运载火箭已经完成了深化论证工作。考虑到我国航天技术的发展需求、技术保障和工业体系,以及动力型谱发展等因素,科研人员最终决定研制500 吨推力的液氧煤油发动机和200 吨推力的液氢液氧发动机,以此为主动力组成三级半方案的“长征九号”重型运载火箭。“长征九号”重型运载火箭的直径达9 米,全长近100 米,起飞推力约为4000 吨,起飞质量大约为3000 吨,近地轨道运载能力约为100 吨,地月转移轨道运载能力约为50 吨。这与美国多次成功发射“阿波罗”载人登月飞船的“土星五号”火箭的运力相近,将成为我国未来执行载人登月、大规模深空探测任务的运载工具。

中国航天科技集团负责人表示,我国正在加快实施重型运载火箭“长征九号”关键技术的预先研究,力争用4 5 年时间突破火箭总体设计,以及液氧煤油发动机、液氢液氧发动机和9 米左右直径火箭箭体结构的设计制造等关键技术,最终用大约15 年的时间完成整个火箭的研制工作。

“长征九号”重型运载火箭的首要研制目标,是满足未来载人登月任务的需求。而规划中的火星取样返回任务和其他行星探测任务也需要这样的重型运载火箭的参与。此外,中国航天科技集团五院的钱学森实验室热衷研发的空间太阳能电站同样需要使用“长征九号”这样的重型运载火箭才能发射和组建。


己经攻克的两大技术难题

在“长征五号”大型运载火箭的研制中,我国已经突破了一批新材料、新工艺和新设备的难题,带动了基础工业的发展。而在研制“长征九号”重型运载火箭中,更需实现世界一流水平的500 吨级液氧煤油发动机、200 吨级液氢液氧发动机以及超大直径箭体的设计制造和试验技术。这对国基础工业和前沿技术同样有很大的推动作用,必将有力推动我国科技创新和工业水平升级。

2014 6 14 日,由中国航天科技集团公司六院北京11 所设计的重型运载火箭液氢液氧发动机大流量单喷嘴试验取得了成功。此次试验是针对该型发动机大流量、高效稳定燃烧技术的研究性试验,是从多种设计方案中挑选出来的一种可行途径。这可能是中国未来“长征九号”重型运载火箭计划采用的大推力液氧煤油发动机的基础技术预研项目,是中国登月万里长征之路上迈出的最新一步。

2016 1 9 日,据媒体报道,中国运载火箭技术研究院一部牵头国内相关单位,采用整体锻造法成功研制出重型运载火箭“长征九号”贮箱过渡环,完成了超大直径整体锻造的关键技术研发。这在国内乃至世界均尚属首创,标志着“长征九号”重型运载火箭的预研工作突破了一大瓶颈难题,为后续研制的顺利开展奠定了基础。

“长征九号”重型运载火箭采用了9米的超大直径箭体结构设计。位于连接贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的过渡环直径很大,承载力强,受力较集中,是传力的关键部位。以往型号产品的过渡环通常采用分段式锻造,把各部段之间焊接起来,而为增强重型运载火箭过渡环的受力强度,保障火箭发射和飞行的安全,必须采用整体锻造法制备过渡环。


坚持创新和节约相结合的原则

我国现役的运载火箭芯级最大直径为3.35 米,而计划于2016 9月前后首飞的“长征五号”大推力火箭芯级直径达到了5 米。以“长征五号”大型火箭直径从3.35 米跨越到5米的研制经验来看,大直径9 米的“长征九号”重型运载火箭箭体的研制,对制造工艺的要求更高,在焊接技术、原材料、大推力发动机等领域都需要进一步提升,不断创新。

一系列先进理念、先进工艺将出现在“长征九号”重型运载火箭身上:推进剂储箱将使用轻质高强度的铝锂合金,级间段和整流罩将使用复合材料,火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统。同时,火箭制导系统将使用捷联惯导、卫星导航、星光导航的复合制导方案,软件方面将使用摄动加迭代的制导律。此外,还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。

“长征九号”重型运载火箭的设计不仅考虑到使用新技术提升现有火箭的性能和技术水平,而且充分利用了现有的试验设备和成熟技术来降低制造成本。未安装逃逸塔和整流罩时,“长征九号”重型运载火箭全长约88 米。早已建成的天津新一代大型运载火箭基地的93 米高度全箭振动塔,足以对其进行全箭振动试验。这将分摊“长征五号”大型火箭的研发投资,从而降低研制成本。此外,我国在研制“长征五号”大型火箭的助推器(即推力为120 吨的YF-100液氧煤油发动机)时建设的最大可支持500 吨级液体火箭发动机的试车台,也可以直接支持下一代的500 吨级液氧煤油发动机进行热试车。


发展航天事业,必须动力先行。人类探索太空的能力,基本上取决于火箭的推力。重型运载火箭是一个国家战略力量的基础,而研制重型运载火箭,将促进众多相关科技的创新!

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